直流穩(wěn)壓電源(14)

1、(9-1),電子技術(shù),第九章 直流穩(wěn)壓電源,模擬電路部分,(9-2),第九章 直流穩(wěn)壓電源,9.1 直流穩(wěn)壓電源的組成和功能 9.2 單相整流電路 9.3 濾波電路 9.4 倍壓整流電路的工作原理 9.5 穩(wěn)壓電路 9.6 集成穩(wěn)壓電源,*,(9-3),電源變壓器: 將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。,整 流 電 路,濾 波 電 路,穩(wěn) 壓 電 路,整流電路: 將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。,濾波電路: 將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。,穩(wěn)壓電路: 清除電網(wǎng)波動及負(fù)載變化的影響,保持輸出電壓uo的穩(wěn)定。,9.1 直流穩(wěn)壓電源的組成和功能,(9-4),整流電路的任務(wù)：

2、把交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷髅}動的電壓。,9.2 單相整流電路,常見的小功率整流電路，有單相半波、全波、橋式和倍壓整流等。,為分析簡單起見，把二極管當(dāng)作理想元件處理，即二極管的正向?qū)娮铻榱?，反向電阻為無窮大。,(9-5),9.2.1 單相半波整流電路的工作原理,u2 0 時，二極管導(dǎo)通。,忽略二極管正向壓降： uo=u2,u20時，二極管截止,輸出電流為0。,uo=0,(9-6),(4) 輸出電壓平均值（Uo）：,(1) 輸出電壓波形：,(3) 二極管上承受的最高電壓：,(2) 二極管上的平均電流：,ID = IL,(9-7),9.2.2 單相全波整流電路的工作原理,(4) uo平均值Uo：,Uo

3、=0.9U2,(1) 輸出電壓波形：,(2) 二極管上承受的最高電壓：,(3) 二極管上的平均電流：,(9-8),9.2.3 單相橋式整流電路的工作原理,橋式整流電路,u2正半周時電流通路,(9-9),橋式整流電路,u0,u2負(fù)半周時電流通路,(9-10),u20 時,D1,D3導(dǎo)通 D2,D4截止 電流通路: A D1 RLD3B,u20 時,D2,D4導(dǎo)通 D1,D3截止 電流通路: B D2 RLD4A,輸出是脈動的直流電壓！,橋式整流電路輸出波形及二極管上電壓波形,(9-11),幾種常見的硅整流橋外形：,(9-12),9.2.4 整流電路的主要參數(shù),1. 整流輸出電壓平均值（Uo）,全

4、波整流時，負(fù)載電壓 Uo的平均值為:,負(fù)載上的(平均)電流:,一、整流輸出電壓的平均值與脈動系數(shù),整流輸出電壓的平均值Uo和輸出電壓的脈動系數(shù)S是衡量整流電路性能的兩個主要指標(biāo)。,(9-13),S定義：整流輸出電壓的基波峰值Uo1m與平均值Uo之比。,2. 脈動系數(shù),用傅氏級數(shù)對全波整流的輸出 uo 分解后可得:,(9-14),平均電流(ID)與反向峰值電壓(URM)是選擇整流管的主要依據(jù)。,例如： 在橋式整流電路中，每個二極管只有半周導(dǎo)通。因此，流過每只整流二極管的平均電流 ID 是負(fù)載平均電流的一半。,二極管截止時兩端承受的最大反向電壓：,二、平均電流與反向峰值電壓,(9-15),9.3

5、濾波電路,濾波電路的結(jié)構(gòu)特點: 電容與負(fù)載 RL 并聯(lián)，或電感與負(fù)載RL串聯(lián)。,交流 電壓,脈動 直流電壓,直流 電壓,原理：利用儲能元件電容兩端的電壓(或通過電感中的電流)不能突變的特性, 濾掉整流電路輸出電壓中的交流成份，保留其直流成份，達(dá)到平滑輸出電壓波形的目的。,(9-16),9.3.1 電容濾波電路,以單向橋式整流電容濾波為例進(jìn)行分析，其電路如圖所示。,一、濾波原理,(9-17),1. RL未接入時(忽略整流電路內(nèi)阻),充電結(jié)束,沒有電容時的輸出波形,(9-18),2. RL接入（且RLC較大）時 (忽略整流電路內(nèi)阻),電容通過RL放電，在整流電路電壓小于電容電壓時，二極管截止，整流

6、電路不為電容充電，uo會逐漸下降。,(9-19),只有整流電路輸出電壓大于uo時，才有充電電流iD 。因此整流電路的輸出電流是脈沖波。,整流電路的輸出電流iD,可見，采用電容濾波時，整流管的導(dǎo)通角較小。,(9-20),電容充電時，電容電壓滯后于u2。,RLC越小，輸出電壓越低。,3. RL接入（且RLC較大）時 (考慮整流電路內(nèi)阻),(9-21),(2) 流過二極管瞬時電流很大。,RLC 越大 Uo越高 負(fù)載電流的平均值越大 ; 整流管導(dǎo)電時間越短 iD的峰值電流越大,故一般選管時，取,二、電容濾波電路的特點,(1) 輸出電壓 Uo與放電時間常數(shù) RLC 有關(guān)。,RLC 愈大 電容器放電愈慢

7、Uo(平均值)愈大,(9-22),輸出波形隨負(fù)載電阻 RL 或 C 的變化而改變, Uo 和 S 也隨之改變。,如: RL 愈小( IL 越大), Uo下降多, S 增大。,結(jié)論：電容濾波電路適用于輸出電壓較高，負(fù)載電流較小且負(fù)載變動不大的場合。,(3) 輸出特性(外特性),(9-23),9.3.2 電感濾波,電路結(jié)構(gòu): 在橋式整流電路與負(fù)載間串入一電感L就構(gòu)成了電感濾波電路。,(9-24),一、濾波原理,對直流分量: XL=0 相當(dāng)于短路,電壓大部分降在RL上。 對諧波分量: f 越高，XL 越大,電壓大部分降在XL上。 因此，在輸出端得到比較平滑的直流電壓。,Uo=0.9U2,當(dāng)忽略電感線

8、圈的直流電阻時，輸出平均電壓約為：,(9-25),二、電感濾波的特點,整流管導(dǎo)電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，適用于低電壓大電流(RL較小)的場合。缺點是電感鐵芯笨重，體積大，易引起電磁干擾。,(9-26),*9.3.3 其他形式的濾波電路,改善濾波特性的方法：采取多級濾波。如：,L-C 型濾波電路：在電感濾波后面再接一電容。,RC 型濾波電路：在電容濾波后再接一級RC濾波電路。,性能及應(yīng)用場合分別與電容濾波和電感濾波相似。,LC 型濾波電路：在電容濾波后面再接L-C 型濾波電路。,(9-27),一、 RC 型濾波電路,設(shè)uo1的直流分量為UO，交流分量的基波的幅值為UO1m，則：,

9、uo的直流分量：,(9-28),uo的交流分量的基波的幅值：,(9-29),通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：,uo的脈動系數(shù)S與uo1的脈動系數(shù)S的關(guān)系：,(9-30),二、 L-C 型濾波電路,設(shè)uo1的直流分量為UO，交流分量的基波的幅值為UO1m，：,(9-31),通常選擇濾波元件的參數(shù)使得：,uo的脈動系數(shù)S與uo1的脈動系數(shù)S的關(guān)系：,(9-32),三、LC 型濾波電路,顯然， LC 型濾波電路輸出電壓的脈動系數(shù)比只有LC濾波時更小，波形更加平滑；由于在輸入端接入了電容，因而較只有LC濾波時，提高了輸出電壓。,(9-33),*9.4 倍壓整流電路的工作原理,一、二倍壓整流電路,u2的正半

10、周時：D1導(dǎo)通，D2截止，理想情況下，電容C1的電壓充到：,u2的負(fù)半周時：D2導(dǎo)通，D1截止，理想情況下，電容C2的電壓充到：,負(fù)載上的電壓：,(9-34),二、多倍壓整流電路,u2的第一個正半周：u2、C1、D1構(gòu)成回路，C1充電到：,u2的第一個負(fù)半周：u2、C2、D2 、C1構(gòu)成回路，C2充電到：,(9-35),u2的第二個正半周：u2、C1、C3 、D3 、C2構(gòu)成回路， C1補(bǔ)充電荷，C3充電到：,u2的第二個負(fù)半周： u2、C2、C4、D4、C3 、C1構(gòu)成回路， C2補(bǔ)充電荷， C4充電到：,把電容接在相應(yīng)電容組的兩端，即可獲得所需的多倍壓直流輸出。,(9-36),9.5 穩(wěn)壓

11、電路,穩(wěn)壓管,穩(wěn)壓電路,開關(guān)型,穩(wěn)壓電路,線性,穩(wěn)壓電路,常用穩(wěn)壓電路,(小功率設(shè)備),以下主要討論線性穩(wěn)壓電路。,電路最簡單，但是帶負(fù)載能力差，一般只提供基準(zhǔn)電壓，不作為電源使用。,效率較高，目前用的也比較多，但因?qū)W時有限，這里不做介紹。,(9-37),9.5.1 串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路,一、電路結(jié)構(gòu)的一般形式,1. 串聯(lián)式直流穩(wěn)壓電路的基本形式,負(fù)載電流的變化量可以比穩(wěn)壓管工作電流的變化量擴(kuò)大（1+）倍。,實際上是射極輸出器，Uo=UZ-UBE 。但帶負(fù)載的能力比穩(wěn)壓管強(qiáng)。,(9-38),兩個主要缺點：,(1) 穩(wěn)壓效果不好。,Uo=UZ UBE,(2) 輸出電壓不可調(diào)。,改進(jìn)的方法：在穩(wěn)壓電

12、路中引入帶電壓負(fù)反饋的放大環(huán)節(jié)。,(9-39),串聯(lián)式穩(wěn)壓電路由基準(zhǔn)電壓、比較放大、取樣電路和調(diào)整元件四部分組成。,2. 具有放大環(huán)節(jié)的串聯(lián)型穩(wěn)壓電路,(9-40),調(diào)整元件T：與負(fù)載串聯(lián)，通過全部負(fù)載電流?？梢允菃蝹€功率管，復(fù)合管或用幾個功率管并聯(lián)。,比較放大器：可以是單管放大電路，差動放大電路，集成運算放大器。,基準(zhǔn)電壓：可由穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路組成。取樣電路取出輸出電壓UO的一部分和基準(zhǔn)電壓相比較。,(9-41),因調(diào)整管與負(fù)載接成射極輸出器形式，為深度串聯(lián)電壓負(fù)反饋，故稱之為串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路。,(9-42),一種實際的串聯(lián)式穩(wěn)壓電源,二 、穩(wěn)壓原理,當(dāng) UI 增加或輸出電流減小使 Uo升高

13、時,(9-43),三 、輸出電壓的確定和調(diào)節(jié)范圍,(9-44),四 、影響穩(wěn)壓特性的主要因素,2. 流過穩(wěn)壓管的電壓隨 UI 波動，使UZ 不穩(wěn)定，降低了穩(wěn)壓精度。,1. 電路對電網(wǎng)電壓的波動抑制能力較差。例：UIVC2 Uo ,3. 溫度變化時，T2組成的放大電路產(chǎn)生零點漂移，時輸出電壓的穩(wěn)定度變差。,(9-45),五、改進(jìn)措施,在運放理想條件下:,1. 選用差動放大器或運放構(gòu)成的放大器代替T2管構(gòu)成的放大器，可以解決零點漂移的問題。,(9-46),采用輔助電源(比較放大部分的電源)。 用恒流源負(fù)載代替集電極電阻以提高增益。 4. 調(diào)整管采用復(fù)合三極管以擴(kuò)大輸出電流的范圍。,(9-47),*

14、六 、過流保護(hù) 為避免使用中因某種原因輸出短路或過載致使調(diào)整管流過很大的電流，使之燒壞故需有快速保護(hù)措施。常見保護(hù)電路有兩類,1. 限流型：當(dāng)調(diào)整管的電流超過額定值時，對調(diào)整管的基極電流進(jìn)行分流，使發(fā)射極電流不至于過大。,當(dāng)IL不超過額定值時，T1截止； 當(dāng)IL超過額定值時， T1導(dǎo)通，其集電極從T1的基極分流。,R為一小電阻，用于檢測負(fù)載電流。,(9-48),2. 截流型: 過流時使調(diào)整管截止或接近截止。,輸出電流在額定值以內(nèi)時：,三極管T2截止，這時，電壓負(fù)反饋保證電路正常工作。,UO ,U+ ,UO ,UB1 ,(9-49),輸出電流超出額定值時：,因輸出電壓降低，三極管T2逐漸導(dǎo)通，U

15、+ ，穩(wěn)壓管截止，電壓負(fù)反饋被切斷。這樣,U+ ,UB1 ,UC1 (=UO),UB2 ,IC2 ,U+ ,最終UO降低到零。,(9-50),七、串聯(lián)反饋式穩(wěn)壓電路缺點,損耗 (P=UCE IL) 大 電源的效率 ( =Po/Pi=UoIL/UiIi) 較低,為了提高效率，可采用開關(guān)型穩(wěn)壓電源。,調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，當(dāng)負(fù)載電流較大時:,(9-51),9.5.2 穩(wěn)壓電路的主要性能指標(biāo),一、穩(wěn)壓系數(shù) S,穩(wěn)壓系數(shù)S反映電網(wǎng)電壓波動時對穩(wěn)壓電路的影響。定義為當(dāng)負(fù)載固定時，輸出電壓的相對變化量與輸入電壓的相對變化量之比。,二、輸出電阻Ro,輸出電阻用來反映穩(wěn)壓電路受負(fù)載變化的影響。定義為當(dāng)輸入電

16、壓固定時輸出電壓變化量與輸出電流變化量之比。它實際上就是電源戴維南等效電路的內(nèi)阻。,(9-52),9.6 集成穩(wěn)壓電源,隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，現(xiàn)在已生產(chǎn)并廣泛應(yīng)用的單片集成穩(wěn)壓電源，具有體積小，可靠性高，使用靈活，價格低廉等優(yōu)點。最簡單的集成穩(wěn)壓電源只有輸入，輸出和公共引出端，故稱之為三端集成穩(wěn)壓器。 本節(jié)主要介紹常用的W7800系列三端集成穩(wěn)壓器，其內(nèi)部也是串聯(lián)型晶體管穩(wěn)壓電路。 該組件的外形如下圖，穩(wěn)壓器的硅片封裝在普通功率管的外殼內(nèi)，電路內(nèi)部附有短路和過熱保護(hù)環(huán)節(jié)。,(9-53),1端: 輸入端 2端: 公共端 3端: 輸出端,W7800系列穩(wěn)壓器外形,1端: 公共端 2端: 輸入端 3端: 輸出端,W7900系列穩(wěn)壓器外形,(9-54),注：型號后XX兩位數(shù)字代表輸出電壓值,輸出電壓額定電壓值有:,5V、9V、12V 、18V、 24V等 。,三端集成 穩(wěn)壓器,9.6.2 集成穩(wěn)壓電源的分類,(9-55),一、輸出為固定電壓的電路,9.6.2 應(yīng)用電路,輸出為固定正壓時的接法如圖所示。,注意：輸入與輸出端之間的電壓不得低于3V！